基于ZigBee的公交自动报站系统的设计

第２９卷第４期　２０ｏ７年１２月　湘潭师范学院学报（自然科学版）　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｘｉａｎｇｔａｎ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｅｄｉｔｉｏｎ）　ＶｏＩ．２９　Ｎｏ．４　Ｄｅｃ．２０Ｃｒ７　基于ＺｉｇＢｅｅ的公交自动报站系统的设计　詹杰，周仁龙，吴伶锡　（湖南科技大学物理学院，湖南湘潭４１１２０１）　摘要：ＺｉｇＳ￣是新近出现的基于传感器网络的无线通信技术，具有低成本、易实现、低功耗、近距离的特点。利用Ｚｉｇ—　Ｂｅｅ技术可对现有的语音报站系统进行改进，实现自动报站功能，可大大降低司机的工作强度，减少事故的发生，并能扩展　系统的功能。　关键词：ＺｉｇＳ￣；ＩＥＥＥ￥０２．１５．４；自动语音报站；ＭＣ１３１９２　中图分类号：ＴＮ９２　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７１—０２３１（２ＯＯ７）０４—００７６—０４　利用现代电子技术、通信技术来提高公交系统的运力，满足城市居民的出行要求，目前在各级政府、社　会各界已经达成共识。各种新技术的应用给居民带来了方便，也给司机带来了沉重的负担。现在大多数　公交车上都配备了电脑语音报站设备，报站系统解决了以前人工报站语音不准，需多人服务的问题，但大　多为手工操作，需要司机在进站时操作，分散了司机的注意力，留下安全隐患。少数公交装备了ＧＰＳ自动　报站系统…，但由于公交站台很多分布在高楼大厦林立的街道，加上阴天雨天，极大的影响了ＧＰＳ的效　果，还是达不到完全自动操作的效果，公交车需装备全天候的自动报站系统。　１　ＺｉｇＢｅｅ协议简介　ＺｉｇＢｅｅ是近年来发展迅速的基于无线传感器网络的近距离、低功耗、低成本、低复杂度的无线通信技　术（如表１所示）［２　３。协议定义了两种类型的设备一全功能设备（ＦＦＤ），精减指令设备（ＲＦＤ）。全功能设备　可作为网络的协调器，路由器，实现ＦＦＤ功能需要足够的计算能力和存储能力。ＲＦＤ设备功能简单，由单　片机就能完成，ＦＦＤ设备之间可以相互通信，ＲＦＤ设备只能与ＦＦＤ设备通信。协议的这种可裁剪能力极　大的降低了组建系统的成本，在很多行业获得了广泛的应用　Ｊ　表１　ＺｉｇＢｅｅ基本技术参数　收稿日期：２ＯＯ７—１０—１７　基金项目：湖南省教育厅基金项目（０６（３２１）　作者简介：詹７６　杰（１９７３一），男，湖南常德人，讲师，研究方向：无线通信。　维普资讯 http://www.cqvip.com ＺｉｇＢｅｅ协议是典型的分层结构，网络层主要定义了接入控制（ＡＣＬ）的安全机制和按需路由，应用层主　要提供和上层的接口。ＭＡＣ层和物理层采用了ＩＥＥＥ８０２．１５．４标准，物理层定义了协议的传输速率，传输　距离，信道分配、调制方式和功耗，与目前在２．４Ｇ工作的Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、Ｗｉ—Ｆｉ、Ｗｉｍｌ￣ｓ　ＵＳＢ具有良好的共存能　力。决定协议性能的主要是ＭＡＣ层，在这一层有两个重要的概念。　１．１　超帧　ＩＥＥＥ８０２．１５．４对网络采用了超帧进行管理，大大简化了协议，降低了功耗。超帧如图１所示，一个超　帧分为竞争期ｃｏｎｔｅｎｔｉｏｎ　ａｃｃｅｓｓ　ｐｅｒｉｏｄ（ｃＡＰ）、非竞争期ｃｏｎｔｅｎｔｉｏｎ　ｆｒｅｅ　ｐｅｒｉｏｄ（ｃＦＰ）也叫Ｇｕａｒａｎｔｅｅｄ　ｔｉｍｅ　ｓｌｏｔｓ　（ＧＴＳｓ）和非活动期三部分。信标帧在一个超帧的开头，只能由协调器发出，信标帧定义了超帧的大小，各　个时段的长度。时段的基本单位称为时隙，２．４Ｇ频段的基本时隙为０．３２　ｍｓ。在竞争期间，节点采用ｃＳ．　ＭＡ／ＣＡ竞争信道。ＧＴＳ时隙由发送信标帧的全功能节点定义。所有网络范围内的节点侦听信标帧，根据　其中的信息来申请加入网络。　Ｉ。。Ｉ：ｌ　ｌ　Ｉ　Ｉ　ＩＳ　ｐａ　（ＳＤ，Ｉ　ｔｉｏ“　ｌ。Ｉ。：　ｌ　Ｉ　Ｂｅａｃｏｎ　ｉｒ№ｒ　ａｌ（ＢＩ）　．　ｍｅ　ｄｍ）　．　．　图１超帧结构　１．２　ＣＳＭＡ／ＣＡ算法　ＣＳＭＡ／ＣＡ的流程见参考文献，主要定义了３个参数执行协议。ＮＢ：退避次数（最大值为５）；ＣＷ：退避　窗口大小（初始值为２）；ＢＥ：退避指数。和ＩＥＥＥ８０２．１ｌｂ和退避算不同在于算法只在退避计数结束时才检　测信道，要连续检测信道空闲两次才接入信道，大大降低了功耗，简化了协议。　２　自动报站系统的网络结构和运行流程　公交车站台众多，在主要街道，几路车共用一个站台，车载节点移动快，对报站时延要求较高。在始发　站、终点站，车辆移动慢，对报站无特别要求，但要有发车信息播报。设计公交报站网络如图２所示。　！！！一Ｉ　起点立占　●　中间站２　终点站　中间站１　只发布信标帧，包　古本地地　接是移动节点接　入　发布信标　按是移动节点接　ｆＩｌＩｉ，含当前时间　信息　本地地　址、车辆地址信　息和调度指令　址信息　＾　发布信标　帧，含当前时间　信息，本地地　址、车辆地址信　息和调度指令　图２公交车自动报站系统　每个站台作为一个基站，组建一个星形网络。基站协调器每隔一定的时间发出信标帧，信标帧对超帧　进行设置，不同的基站超帧的内容不同。在始发站，协调器发送信标帧，对超帧进行设置，信标中包含将发　车的地址信息，车载节点接收到信标帧后，和本车地址进行判断，如果符合，向基站申请指令，得到发车指　令就触发语音电路发出相应的语音信号，保存时间信息，车载节点离开始发站。在中间站，离基站１００　ｍ　左右就进入了中间站的信号覆盖区，只要中间站的信标更新足够快，节点就可以在进站前捕捉到中间站的　７７　维普资讯 http://www.cqvip.com 信标帧，中间站的信标帧设置简单，只包含中间站基站地址信息，节点无需接入网络，节点对基站地址进行　判断，符合自已条件的信标帧，节点就触发相应的语音信息，并保存当前时间信息，触发一次后节点将侦听　下一个基站的信标。在终点站和始发站，节点除完成上述过程外，还要接入网络，报告一趟运营结束，以便　调度发车指令的传送，节点在终点站还需上传经过各个基站的时间信息，除了可做考勤以外，还能通过时　间信息判断基站好坏，及时派出维修人员。　３硬件设计和算法实现流程　目前，符合ＺｉｇＢｅｅ协议的芯片主要有飞思卡尔的ＭＣ１３１９２Ｘ系列，Ｃｈｉｐｃｏｎ公司的ＣＣ２４Ｘ０系列等。根　据移动节点和基站要实现的功能，以及实现成本和软件支持，统一采用飞思卡尔的ＭＣ１３１９２作为射频芯　片［　，移动节点和中间站功能简单，处理器采用摩托罗拉的ＭＣ９Ｓ０８ＧＴ。始发站和终点站功能复杂，还要　提供多种接口，采用ＭＣＦ５２１３［５］。方框图如图３所示。　图３硬件方框图　ＭＣ１３１９２是工作在２．４Ｇ的无线收发器，它包含一个完整的ＩＥＥＥ８０２．１５．４物理层调制解调器，支持　ＩＥＥＥ８０２．Ｉ５．４物理层定义的ｌ６个速率为２５０Ｋｂｐｓ的信道，支持Ｏ—ＱＰＳＫ调制和全频谱编解码；接受灵敏　度高，在１．Ｏ％的误码率下接受灵敏度为９２　ｄＢｍ，七个ＧＰＩＯ，四个内部比较计数器，用来减少ＭＣＵ的资源　需求。ＭＣ９Ｓ０８ＧＴ６０是摩托罗拉一款低功耗、高性能的８位ＭＣＵ，该ＭＣＵ工作在４Ｏ　ＭＨｚ的主频上，采用　ＨＣ０８指令集，具有６０　ＫＢ的片内闪存、４　ＫＢ的ＲＡＭ和５１２　Ｂ的ＲＯＭ，带ＢＤＭ模块，用于对ＭＣＵ的闪存编　程和在线的硬件调试，两个ＳＣＩ可用于与ＰＣ机的串口通信；支持中断源，支持电源节省模式和系统保护。　ＭＣＦ５２１３是集成式ＣｏｌｄＦｉ￣Ｖ２内核微控制器，它是一种低成本、小功耗单片式处理器，最高可配置２５６ＫＢ　高性能、近乎单点接入、隔行扫描的可靠嵌入式闪存。而且，ＭＣＦ５２１３嵌入式控制器通信外设可以很方便　地连接到其他控制系统。三种通用异步收／发器（ＵＡＲＴ）。内部集成电路（ＩＺＣ）和队列式串行外设接口　（ＱＳＰＩ）可供系统内部与连接的外设和系统通信。所有这些功能全部通过高性能ｖ２　ＣｏｌｄＦｉｒｅ内核提供，而　且还包含了累加器（ＭＡＣ）可以完成类似ＤＳＰ的功能。ＭＣＦ５２１３内置了大容量的Ｆｌａｓｈ存储空间和ＳＲＡＭ，　完全可以容纳嵌入式操作系统ｕＣ／ＯＳ—ＩＩ在片内存储和运行，而不需要外加存储芯片，简化了外围电路和　设计。同时也减少了设计成本。　算法实现步骤：　在分层的通信协议中，层与层之间是通过服务访问点（ｓＡＰ）进行通信，各层通信则是以原语的方式实　现。用Ｃ语言编写几个函数对原语进行设置调用，实现组网算法，始发站、终点站实现的具体步骤如　下：［６】　第一步是初始化硬件驱动和ＭＡＣ层。主要对Ｕａｒｔ—Ｉｎｉｔ（）进行设置，使其符合硬件要求。定义串口的　波特率为１９　２００　ｂｐｓ，８位数据位，１位起始位，１位停止位，无奇偶校验、无流量控制。调用函数Ｉｎｉｔ一８０２一　ｌ５—４（），初始化ＭＡＣ／ＰＨＹ模块中的内部变量。　第二步是扫描信道获取网络数据并处理环境变量。通过Ａｐｐ—ＳｔａｒｔｃｈａｎｎｅｌＳｃａｎ（）对ＭＡＣ层相应的原　语进行赋值。工作在２．４　ＧＩ－ｌｚ的频段上，故ＳｃａｎＣｈａｎｎｅｌｓ为ＯｘＯ７ｆｆｆＳ００，取ＳｃａｎＤｕｒｔｉｏｎ＝５，扫描ｌ６个信道的　持续时间为８　ｓ。根据扫描结果创建一个网络。　第三步是建立一个ＰＡＮ网络。包括如下过程：Ａｐｐ—ＨａｎｄｌｅＥｄＤｅｔｅｃｔ（）（能量信道扫描）、Ａｐｐ—ＰｒｅｐａｒｅＣｏ．　ｏ耐ｉｎａｆｏｒ（）（选择短地址信息、选择ＰＡＮ网络标识ＩＤ、初始化网络设置）。主要调用了ＭＬＭＥ—ＳＥＴ．ｒｅｑｕｅｓｔ｛｝　（设置原语）和ＭＬＭＥ—ＳＥＴ．ｒｅｑｕｅｓｔ｛｝（开始原语）来使用新的超帧配置参数。　７８　维普资讯 http://www.cqvip.com

第四步是接收节点的入网请求。Ａｐｐ—ＨａｎｄｌｅＮｏｄｅＡｐｐｌｙ（）函数主要设置了原语ＭＬＭＥ—ＡＳＳＯＣＩＡＴＥ．ｒｅ—　ｑｕｅｓｔ｛｝、ＭＬＭＥ—ＡＳＳＯＣＩＡＴＥ．ｃｏｎｆｉｒｍ｛｝响应节点的申请。ＡＰＰ—ＰａｓｓＡｓｓｏｃｉａｔｅＲｅｓｐｏｎｓｅ（）函数主要设置了　ＭＬＭＥ—ＡＳＳＯＣＩＡＴＥ．ｉｎｄｉｃａｔｉｏｒ｛｝和ＭＬＭＥ—ＡＳＳＯＣＩＡＴＥ．ｒｅｓｐｏｎｓｅ｛｝以关联原语响应子节点的申请，其函数还　包括了ＰＡＮ网络短地址实现的算法。　第五步是数据传输。Ａｐｐ—ＨａｎｄｌｅＤａｔｅｌｎｐｕｔ（）函数向上层报告收到的ＭＡＣ帧。Ａｐｐ—ＴｒａｎｓＵａｒｔＤａｔｅ（）传　输从串口过来的数据。　中间站点的设置只取前３步，只发送信标帧，不接收节点的接入。移动节点是ＲＦＤ设备，执行第一　步，执行信道扫描需时较长，８　ｓ的时间对中间站的报站是不能容忍的，在各个基站组网建好以后，测定信　道，直接在ＲＦＤ设备的原语中顺序设定不同的信道，让车辆经过一个站台后，直接停在下一个基站的信道　搜索信标。图４为基站经过信道扫描建立网络成为协调器，节点侦听到信标帧后申请加入网络，协调器给　节点赋ｌ６位的短地址的过程。　‘ｒ　ｃｌ“ｔｈ　胁・　ＩｔｑⅡｔ：’　ｔ　ｔ　一　＾Ｉｃ…））、　１（　‘…‘ｔ　ｆＩｄ　ｔ：　“　ｌ…・ｒ＾…ｑｒ　ｈＩｔｔ￣ｔｉｒｇ　ｔｈ　ｈ・　口ｌ“＂｛ｉ・－Ｓｅ啦　：ｆｒ【ｌ　竹Ｅ　ｆ　Ｓｃ址ｌ｛　’Ｉｔ－¨Ｈ　“｛１　ｔ‘ｔｈ　Ｈ！ｃ　ｒ＿ｔ…・：　ｎ　…］，　：　＾　：ｃ　Ｃ　ｔ　ｎ　ｔｓｉ’　ｃ＇“ｆ●】】¨ｉ　：¨ｓＬ．＝　【ＣＣ　ｃＣ　ＣＣ．ｃＣ　ＣＣ，∞，００，∞，。０．∞，∞　∞，００，ｏ０　∞　００１　Ｅ￡！…ｔ！｝Ｅ　Ｈ　ｔ　１・［】ｃ　ｃ　ｍｔ．０：Ｄｌ　…ｎ±：ｔ　ｉ　ｔｒｃｌ　ｔｈ－　卜：ｔ　ｔ　ｌ｛　¨ｔ　ｔ　Ｅｌｌ‘．’●：　ｔｌｔ￣…））　｛　’Ⅱｔｌｃ幢　￣ｃｅｒｄｉｔｔｔ＊ｒ”幔｝“】ｌ　０’ｒｋ　｛　・ｒｔ　｝　；；Ｏ钟０舯　｜Ｆ　Ｅ“，ｔ…　ａ　ｒⅢｉｒｔ　Ｉ“…ｔｒ　ｋ．　ｈ（“＇｛‘　雌　’　＂　ｔ】－‘１　ｃｔ＾，・＾　●ｎ　　ｒ：　‘　？”　‘：　：！　蔓　｜．　…？？！　…一…毒　？　“　＿　…　…　堑萋　婺焦ｊＦ　＝————～墓薹　煎ｌ遵照塞ｇ　ｌｒ　ｌ口ｉ　毪垡ｌ『　—～壅！墨墼ｌ删广＇旺墨最　曼　一　鲤　，　墓　．　～塞　塑ｌ　：　皇　ｊ　｝＿＿　鲤　签　…至Ｓ　ｊ妻缰　：　．；婆蒜　撇８　二ｌ　　。广删哇　喜　一　辫简　住Ｉ’’　毒矗　　数据８　－ｉ　：广麓舣件藕ｌ仨　：＋ａｔ￣　ｔ　：．广口溘连　激’　Ｆ生遗芰　尊重Ｂ卦最　缡　自　！　嗣暖　ｍ¨．二ｌ班；　ｔ　篓！　圜　兰竺竺竺　协调器建网　渤｝　：圆子节点接入嘲络　ｒ　；辩　，　ｊ一丁一…　一……一～一一～　图４组网过程　４总结与展望　本文对用ＺｉｇＢｅｅ技术实现车辆自动报站功能进行了研究，实现了移动车载节点和基站联系，从而触　发语音报站电路自动报站，室外５０　ｍ的距离感觉不到触发延时。　智能公交是公交系统发展的方向，自动报站系统是公交智能化的一个环节，采用ＺｉｇＢｅｅ技术来实现　自动报站功能，可大大降低系统成本，还能扩展功能进行考勤、调度。系统的可升级性也很强，将各个中间　站点采用有线连接，还能实现实时调度［　。改变公交车现有一个功能一个设备，给操作维护带来麻烦的现　状。以后的工作中，还有重要的搞干扰性能，可靠性，多个节点的使用需要进一步的研究。　参考文献：　［１］许连华，李学庆．基于ＧＰＳ的公交车自动报站系统［Ｊ］．计算机工程，２００５，（２３）．　［２］Ⅲｌ　Ｓｔａｎｄａｒｄ　ｆｏｒ　Ｐａｒｔ　８０２．１５．４：Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｍｅｄｉｕｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｃｏｎｔｒｏｌ（ＭＡＣ）ａｎｄ　Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｌａｙｅｒ（ＰＨＹ）Ｓｐｅｃｉｉｆｃａｉｔｏｎ　ｆｏｒ　Ｌｏｗ　Ｒａｔｅ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｐｅｒｓｏｎａｌ　Ａｒｅａ　Ｎｅｔｗｏｒｋ（ＬＲ—ＷＰＡＮｓ）［Ｓ］２００３．　［２］ｚｉｇＢｅｅ　Ａｌｌｉａｎｃｅ．ｚｉｇＢｅｅ　Ｓｐｅｃｉｉｆｃａｉｔｏｎ，Ｖｅｍｉｏｎ　１．０，２００５．　［３］周　怡，凌志浩，吴勤勤．ＺｉｇＢｅｅ无线通信技术及其应用探讨［Ｊ］．自动化仪表，２００５，（６）：５—９．　［４］Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ，Ｉｎｃ．Ｚｉｇｂｅｅ８０２．１５．４．　［５］张　逸．基于ＭＣＦ５２１３及Ｚｉｓｂ￣无线技术的音频对讲系统［Ｊ］．电子产品世界，２００６，（１７）．　［６］詹　杰，吴伶锡．基于Ｚｉ只Ｂｅｅ的智能照明控制系统的设计［Ｊ］．电力电子技术，２００７，（１０）。　［７］詹　杰，石　伟。基于Ｚｉｓｂｅｅ的智能公交无线通信网络的设计［Ｊ］．现代电子技术，２００７（１０）．　７９